Neuartige atomar dünne Materialien k?nnten in Zukunft als energieeffiziente und vielseitige Lichtquellen genutzt werden. Physiker der Universit?t Bremen haben diesen zweidimensionalen Schichten nun interessante Geheimnisse entlockt. Die Ergebnisse der Bremer Wissenschaftler und ihrer Kooperationspartner hat kürzlich die international renommierte Fachzeitschrift ?Nature Physics“ ver?ffentlicht.
Motiviert durch die Erfolgsgeschichte des superdünnen ?Wundermittels“ Graphen, das vor einigen Jahren mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet worden ist, entdecken Forscherinnen und Forscher in der Chemie und in der Physik heute immer neue, atomar dünne Materialien. Sie bestehen aus Gittern von Atomen, die nur wenig dicker sind als die einzelnen Atome selbst. Der Vorreiter Graphen setzt sich aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoffatomen zusammen. Die ist zwar hervorragend für die Elektronik geeignet, nicht jedoch für optische Anwendungen. Nun gibt es neue atomar dünne Materialien, die sich für stark miniaturisierte und ?u?erst energieeffiziente optische Bauelemente eignen. Bemerkenswert ist dabei, wie einfach und kostengünstig die neuen Materialien hergestellt werden k?nnen: Sie lassen sich beispielsweise mit Klebefilm von sogenannten Volumenkristallen abziehen.
Vielf?ltige Einsatzm?glichkeiten
Eine zentrale Idee ist hierbei das Prinzip des ?Lego-Baukastens“: Die Eigenschaften leuchtender und elektrisch leitender atomar dünner Materialien, wie beispielsweise ?bergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) und Graphen, werden kombiniert, indem man sie direkt aufeinanderstapelt. Trotz losen Zusammenhalts weisen diese Strukturen eine enorme mechanische Stabilit?t auf. Die darin enthaltenen TDMs leuchten dabei nicht nur sehr gut, sie absorbieren auch Licht und k?nnen es in Strom umwandeln. Deshalb gibt es bereits erste praktische Anwendungen in sehr empfindlichen Sensoren. Denkbar ist zudem, sie in biegsamen Solarpanels zu verwenden oder in Handydisplays. Durch den Einsatz in stark miniaturisierten Lasern k?nnen neue Bauteile realisiert werden, die für das Highspeed-Internet der n?chsten Generation ben?tigt werden. ?Wir k?nnen mit diesen Materialien einen ganzen Bauelemente-Pool für Innovationen im Ingenieurswesen und in der Technik bereitstellen. Die Eigenschaften dieser atomdünnen Bl?ttchen sind mit Blick auf den wachsenden Bedarf an erneuerbaren und effizienten Energiequellen h?chst interessant“, erl?utert Frank Jahnke, Professor für Theoretische Physik. Zusammen mit Dr. Matthias Florian und Dr. Alexander Steinhoff hat er die Untersuchungen an der Universit?t Bremen durchgeführt.
Atomphysik in 2D
Für Physiker bedeuten die atomar dünnen Schichten zugleich ein radikales Umdenken. Anders als in der herk?mmlichen Atomphysik, die sich stets auf einen dreidimensionalen Raum bezieht, spielt sich hier alles in lediglich zwei Raumrichtungen ab. M?chte man die Schichten zum Leuchten bringen, müssen die Elektronen in den Atomen angeregt werden. Positive und negative Ladungen erzeugen sodann neue Verbundteilchen oder künstliche Atome, die sich jedoch nur in der Ebene des dünnen Netzes bewegen k?nnen. Physiker müssen jetzt eine zweidimensionale Atomphysik formulieren, die sie erst einmal vor zahlreiche R?tsel stellt. Insbesondere m?chten sie die charakteristischen Spektrallinien der Teilchen verstehen, welche sie mit spektroskopischen Methoden ausmessen k?nnen – ?hnlich wie bei der Untersuchung von Gasmolekülen in unserer Atmosph?re. ?Diese Teilchenkomplexe in Kristallen sind zwar deutlich kurzlebiger als echte Atome und Moleküle, k?nnen aber in modernen ultraschnellen Experimenten sichtbar gemacht werden“, führt Nachwuchswissenschaftler Dr. Alexander Steinhoff aus.
Spektralen Fingerabdruck der Materialien erforscht
So hat das Team der Universit?t Bremen in enger Kooperation mit Fachkollegen der Experimentalphysik aus Berlin und aus Houston/Texas Computer-Simulationen mit modernster Spektroskopie kombiniert, um den spektralen Fingerabdruck dieser Verbundteilchen zu erhalten. Sie haben dabei nachgewiesen, dass durch die innere Struktur der Vier-Teilchen-Komplexe neue Quantenzust?nde entstehen. Diese gehen über die bislang bekannten Gesetze der Atom- und Molekülphysik weit hinaus. Denn sie erzeugen eine reichhaltige spektrale Signatur.
Von der Grundlagenforschung zur Anwendung
Ihre Entdeckungen haben die Wissenschaftler jetzt in der renommierten Fachzeitschrift ?Nature Physics“ publiziert. Mit ihren Erkenntnissen tragen sie dazu dabei, Ordnung in den sogenannten Linienzoo der neuen Materialien zu bringen. Denn sie geben Kolleginnen und Kollegen in ihrem Forschungsfeld ein Rezept an die Hand, weitere Linien zu identifizieren. Für die Grundlagenforschung sind die Ergebnisse interessant, da sie über die übliche Analogie zwischen Festk?rper- und Atomphysik weit hinausgehen. Aber auch die Anwendungsebene haben die Wissenschaftler fest im Blick: Als einen n?chsten Schritt planen sie die Erstellung funktionsf?higer Prototypen solcher Bauteile.
Die Arbeit wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Graduiertenschule ?Quantum Mechanical Materials Modelling“ an der Universit?t Bremen gef?rdert. Der Artikel ?Biexciton fine structure in monolayer transition metal dichalcogenides“ist nachzulesen unter www.nature.com/articles/s41567-018-0282-x (DOI Nummer: https://doi.org/10.1038/s41567-018-0282-x).
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www.uni-bremen.de
Fragen beantwortet:
Prof. Dr. Frank Jahnke
Institut für Theoretische Physik
Universit?t Bremen
Tel. +49 421 218-62050
E-Mail: jahnke@itp.uni-bremen.de
Link zur originalen Pressemitteilung der Uni Bremen
